کاربردهای کائولن در کاغذ

مهمترین کاربرد صنعتی کائولن به عنوان ماده معدنی پرکننده در صنعت کاغذسازی است که در هر دو کاربرد پرکننده و پوشش استفاده می شود. با این حال، استفاده از کائولن تحت فشار سایر مواد معدنی رقیب، به ویژه کربنات کلسیم آسیاب شده و رسوب شده (GCC و PCC) است.

صنعت کاغذ را می توان به طور کلی به بخش های کاغذ / مقوا و خمیر تقسیم کرد. روند اصلی در صنعت رشد سریعتر تولید کاغذ و مقوا در مقایسه با خمیر کاغذ است که عمدتاً به دلیل افزایش نرخ بازیافت در بسیاری از کشورها است. مصرف کاغذهای باطله و پرکننده همچنان در حال افزایش است، همانطور که پیشرفت هایی در جوهر زدایی وجود دارد که امکان بازیافت کاغذهای متنوع تری را فراهم می کند. پرکننده ها فقط در بخش کاغذ و مقوا در صنعت استفاده می شوند.

1.1 تولید کاغذ

کاغذ از ورقه های نازک الیاف سلولز در هم آمیخته تشکیل شده است که عموماً از چوب به دست می آید. استحکام کاغذ ناشی از پیوند هیدروژنی است که وقتی الیاف سلولزی در حضور آب به هم فشرده می شوند ایجاد می شود. بسته به روش تهیه الیاف سلولزی و حذف لیگنین (ماده چوبی در گیاهان) کاغذ را می توان به انواع مکانیکی و شیمیایی (بدون چوب) تقسیم کرد.

صنعت کاغذ را می توان به دو بخش کاغذ و مقوا تقسیم کرد. در یک سطح ساده، تفاوت اصلی بین این دو این است که کاغذ یک ورق است در حالی که مقوا چند لایه است. مواد خام برای هر یک شامل یک منبع الیاف، خمیر بکر و/یا کاغذ بازیافتی، پرکننده ها و انواع مواد شیمیایی است. فرمول دقیق به خواص مورد نیاز در محصول نهایی بستگی دارد. بنابراین یک کاغذ تحریر یا چاپ طوری ساخته می شود که مات باشد و جوهر را بدون لکه پذیری بپذیرد. از طرف دیگر یک دستمال کاغذی به گونه ای طراحی می شود که مایع را با حفظ قدرت بدنی جذب کند.

پرکننده‌هایی مانند کائولن را می‌توان هم در تولید خود ورق و هم در هر عملیات بعدی (فینیشن) ورق استفاده کرد. انتخاب نوع(های) معدنی مورد استفاده، تا حدی با شرایطی که در آن ورق کاغذ تشکیل می شود، تعیین می شود. هنگامی که محصول نهایی چاپ یا روی آن نوشته می شود، کاغذ باید طوری طراحی شود که جوهر را بدون اجازه اجرا یا لکه دار شدن جوهر بپذیرد. از آنجایی که الیاف سلولزی تمایل طبیعی به جذب آب و بسیاری از حلال‌ها دارند، ورق کاغذ باید اندازه‌بندی شود تا این تمایل محدود شود.

از نظر تاریخی، این اندازه‌بندی با استفاده از رزین، محصول جانبی تولید خمیر کاغذ، که توسط آلوم (سولفات آلومینیوم) در شرایط اسیدی بر روی الیاف سلولزی رسوب می‌کرد، به دست می‌آمد. این شرایط اسیدی در صورت عدم ممنوعیت محدود می‌شد، استفاده از پرکننده‌های کربناتی مانند GCC و PCC و کائولن پرکننده انتخابی بود.

در طول دهه 1960 سیستم های اندازه گیری قلیایی معرفی شدند. در حالی که اجرای گسترده آنها سالها طول کشید، اما امروزه آنها سیستمهای غالب در بسیاری از مناطق کاغذسازی هستند. نتیجه این است که پرکننده های کربناته توانسته اند سهم بازار را از کائولن بگیرند. این سوئیچ به دلیل هزینه کمتر در استفاده و بهبود کیفیت کاغذ ایجاد شده است.

کاغذ ساخته شده در شرایط اسیدی مقداری اسیدیته را حفظ می کند، این امر استفاده از پرکننده های کربناته را در هر عملیات پوشش دهی محدود می کند. تغییر به تولید کاغذ قلیایی این محدودیت ها را حذف کرده است، به طوری که پرکننده های کربناته نیز سهم بازار را در بخش تکمیل کاغذ به خود اختصاص داده است.

1.2 رقابت رنگدانه های پرکننده و پوشش دهنده در تولید کاغذ

کائولن قبلاً پرمصرف‌ترین پرکننده معدنی و رنگدانه پوششی در تولید کاغذ بود، اما در دو دهه گذشته به طور پیوسته با کربنات کلسیم جایگزین شده است. دو دلیل برای این امر تبدیل از اسید به قلیایی کاغذ سازی و تقاضا برای کاغذ روشن تر و حجیم تر بوده است.

تغییر روش‌های تولید اسیدی به روش‌های خنثی، تولیدکنندگان کاغذ را قادر می‌سازد تا از کربنات کلسیم استفاده کنند که ارزان‌تر و درخشان‌تر از کائولن است. کاغذ با اندازه خنثی می تواند بارهای پرکننده معدنی بالاتری نسبت به کاغذهای اسیدی داشته باشد، بنابراین دوغاب های کربنات کلسیم به دلیل محتوای جامد بالاتر به جای دوغاب های کائولن ترجیح داده می شوند.

استفاده از کانی‌های تالک به‌عنوان پرکننده در کاغذ، محدود به مناطقی است که منابع محلی در دسترس هستند یا در کارخانه‌های کاغذسازی الزامات فنی خاصی وجود دارد. تالک عمدتا به عنوان یک پوشش و عامل کنترل گام به جای رنگدانه پرکننده استفاده می شود.

کائولن به طور کلی سطح و تخلخل داخلی کمتری نسبت به کربنات کلسیم دارد، بنابراین تداخل کمتری با پیوند فیبر به الیاف ایجاد می‌کند و در نتیجه محصول قوی‌تری ایجاد می‌کند. ترکیب این دو ماده معدنی با هم می تواند ماده ای با مشخصات مورد نیاز تولید کند. به عنوان مثال، کربنات کلسیم محصولی با روکش "مسطح" تولید می کند، بنابراین کائولن می تواند به عنوان یک عامل "براق کننده" برای بهبود پرداخت محصول اضافه شود.

1.3 پر کردن کاغذ

مواد معدنی به کاغذ اضافه می‌شوند، زیرا ورق کاغذی که تماماً از خمیر سلولزی تشکیل شده است، سطحی نامنظم دارد و گاهی برای بسیاری از اهداف چاپ و نوشتن به اندازه کافی مات نیست. برای اکثر کاغذهای چاپ و تحریر، ورق صاف تر و مات تر مورد نیاز است. این را می توان با پر کردن حفره های موجود در شبکه الیاف سلولزی با پرکننده های معدنی غیر فیبری یا با پوشش دادن ورق با مواد مشابه به دست آورد.

در حالت ایده آل، مواد معدنی پرکننده مصرف شده در کاغذ باید بسیار سفید، نرم، غیر ساینده و عاری از ناخالصی ها، به ویژه سنگ ریزه باشند تا سایش و پارگی در ماشین آلات کاغذسازی به حداقل برسد. علاوه بر این، شکل ذرات مواد معدنی پوشش باید مسطح باشد تا بتوان آن را با کلندری به یک ورق صاف تبدیل کرد، زیرا سطح صاف برای اطمینان از سطح چاپ خوب ضروری است. یک ماده معدنی پرکننده نیز باید از نظر شیمیایی بی اثر باشد تا با مواد شیمیایی مورد استفاده در فرآیند اندازه گیری تداخل نداشته باشد.

پرکننده های معدنی استحکام مکانیکی کاغذ را کاهش می دهند. این با بهبود ویژگی های چاپ کاغذ، افزایش روشنایی و شفافیت جبران می شود. پرکننده ها و رنگدانه های معدنی الیاف سلولزی را گسترش می دهند و در نتیجه هزینه های واحد محصول را کاهش می دهند. در مورد کاغذ بدون پوشش بدون چوب، هزینه الیاف در واحد وزن می تواند تا پنج برابر بیشتر از رنگدانه باشد. در کاغذهای بدون چوب دو روکش، جایی که بایندرها به هزینه های تولید می افزایند، هزینه الیاف همچنان می تواند تا سه برابر بیشتر از پرکننده ها باشد.

رایج ترین مواد معدنی مورد استفاده در کاربردهای پر کردن کائولن، کربنات کلسیم (هر دو شکل آسیاب شده و رسوبی) و تالک هستند. سایر مواد معدنی از جمله باریت، دیاتومیت و گچ نیز استفاده می شود، اما در مقادیر بسیار کمتر.

کائولن شسته شده با آب نوع ترجیحی کائولن برای پر کردن کاغذ است، زیرا به راحتی در آب پخش می شود. کائولن شناور هوا عموماً روشنایی کمتری نسبت به گریدهای شستشو شده با آب دارد و در نتیجه در محصولات کاغذی ارزان‌تر استفاده می‌شود.